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DE19855900B4 - Process for reducing losses in the commutation process - Google Patents

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DE19855900B4
DE19855900B4 DE19855900A DE19855900A DE19855900B4 DE 19855900 B4 DE19855900 B4 DE 19855900B4 DE 19855900 A DE19855900 A DE 19855900A DE 19855900 A DE19855900 A DE 19855900A DE 19855900 B4 DE19855900 B4 DE 19855900B4
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Abstract

Verfahren zur Verringerung von Verlusten bei der Kommutierung eines im Freilauf arbeitenden, angesteuerten Stromrichterventils (T2) einer Wechselrichterphase (2) auf ein stromübernehmendes Stromrichterventil (T1) dieser Wechselrichterphase (2), wobei zu Beginn des Kommutierungsvorgangs das stromübernehmende Stromrichterventil (T1) eingeschaltet wird und wobei das im Freilauf arbeitende, angesteuerte Stromrichterventil (T2) schnell abgeschaltet wird, sobald der Wert seiner Drainspannung (UD) Null ist.Method for reducing losses in the commutation of a driven converter valve (T2) of an inverter phase (2) working in the freewheel mode to a current-accepting converter valve (T1) of this inverter phase (2), the current-accepting converter valve (T1) being switched on at the start of the commutation process and wherein the freewheeling, controlled converter valve (T2) is quickly switched off as soon as the value of its drain voltage (U D ) is zero.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verringerung von Verlusten bei der Kommutierung eines im Freilauf arbeitenden, angesteuerten Stromrichterventils einer Wechselrichterphase auf ein stromübernehmendes Stromrichterventil dieser Wechselrichterphase.The invention relates to a Process for reducing losses when commutating a Free-running, controlled converter valve one Inverter phase on a current-absorbing converter valve this inverter phase.

Aus der Veröffentlichung mit dem Titel "Use of the MOSFET Channel Reverse Conduction in an Inverter for Suppression of the Integral Diode Recovery Current", abgedruckt im Konferenzbericht "The European Power Electronics Association", 13. bis 16.09.1993 in Brighton, Seiten 431 bis 436, ist ein Verfahren bekannt, mit dem beim Kommutierungsvorgang Verluste verringert werden. Dieses bekannte Verfahren wird bei einem mehrphasigen Wechselrichter angewendet, der als Stromrichterventil Metalloxidschicht-Feldeffekttransistoren (MOSFET) aufweist.From the publication entitled "Use of the MOSFET Channel Reverse Conduction in an Inverter for Suppression of the Integral Diode Recovery Current ", printed in the conference report "The European Power Electronics Association ", 13-16 September 1993 in Brighton, pages 431 to 436, is a procedure known with which losses are reduced in the commutation process. This known method is used in a multi-phase inverter applied as a converter valve metal oxide film field effect transistors (MOSFET).

MOSFET sind unipolare Leistungshalbleiter, die in der Lage sind, Strom in beiden Richtungen zu führen. Parasitär besitzt jeder MOSFET eine antiparallele bipolare Freilaufdiode, die allgemein als Inversdiode bezeichnet wird. Diese Freilaufdiode weist Eigenschaften auf, die für den Betrieb des Stromrichterventils nicht optimal sind, da sie nicht als eigener Chip in einem eigenen Prozeß hergestellt werden kann. Sie ist integraler Bestandteil des MOSFET. Diese Inversdiode weist ein nicht optimales Durchlaßverhalten und eine nicht optimierte Speicherladung auf.MOSFETs are unipolar power semiconductors that are able to carry electricity in both directions. Owns parasitic each MOSFET has an anti-parallel bipolar freewheeling diode, the general is called an inverse diode. This free-wheeling diode has properties on that for the operation of the converter valve are not optimal as they are not can be produced as a separate chip in a separate process. It is an integral part of the MOSFET. This inverse diode points a less than optimal passage behavior and a non-optimized storage charge.

In der 1 ist eine bekannte Schaltung einer Wechselrichterphase 2, die als Stromrichterventile T1 und T2 jeweils ein MOSFET aufweist, näher dargestellt. Die antiparallele bipolare Freilaufdiode des Stromrichterventils T1 bzw. T2 ist mit RD1 bzw. RD2 bezeichnet. Diese Wechselrichterphase 2 ist gleichspannungsseitig mit einer Gleichspannungsquelle 4 verknüpft, an der eine Gleichspannung UZK, die auch als Zwischenkreisspannung bezeichnet wird, abfällt. Der Verbindungspunkt 6 der beiden elektrisch in Reihe geschalteten Stromrichterventile T1 und T2 bildet einen Wechselstromanschluß, an dem eine Last anschließbar ist. Bei den verwendeten MOSFET handelt es sich um selbstsperrende, die als Enhancement-MOSFET bezeichnet werden. Ein Drainstrom fließt bei n-Kanal-Enhancement-MOSFET erst dann, wenn die Gate-Source-Spannung UGS einen vorbestimmten positiven Wert überschreitet.In the 1 is a known circuit of an inverter phase 2 , each of which has a MOSFET as converter valves T1 and T2. The antiparallel bipolar freewheeling diode of the converter valve T1 or T2 is designated RD1 or RD2. This inverter phase 2 is on the DC side with a DC voltage source 4 linked at which a DC voltage U ZK , which is also referred to as an intermediate circuit voltage, drops. The connection point 6 the two electrically connected converter valves T1 and T2 form an AC connection to which a load can be connected. The MOSFETs used are self-blocking, which are referred to as enhancement MOSFETs. In the case of n-channel enhancement MOSFET, a drain current only flows when the gate-source voltage U GS exceeds a predetermined positive value.

In der 2 ist eine Strom-Spannungs-Charakteristik eines MOSFET dargestellt, die aus dem eingangs genannten Konferenzbericht "EPE" bekannt ist. Diese Strom-Spannungs-Charakteristik weist verschiedene Kennlinien auf, die im Quadranten I und III verlaufen. Der Teil der Kennlinie im Quadranten I, der mit TC bezeichnet ist, wird benutzt, wenn der MOSFET mittels einer Gate-Source-Spannung UGS = 15 V angesteuert wird. Der Teil der Kennlinie im Quadranten III der mit TRCC bezeichnet ist, wird benutzt, wenn der MOSFET angesteuert wird und ein Laststrom ILAST entgegen der Hauptrichtung durch den MOSFET fließt. Wird der MOSFET nicht angesteuert (UGS = 0 V), so wird die Kennlinie im Quadranten III benutzt, die mit TC bezeichnet ist. Das heißt, die integrale Freilaufdiode RD des MOSFET führt den Laststrom ILAST.In the 2 a current-voltage characteristic of a MOSFET is shown, which is known from the conference report "EPE" mentioned at the beginning. This current-voltage characteristic has various characteristic curves that run in quadrants I and III. The part of the characteristic curve in quadrant I, which is denoted by T C , is used when the MOSFET is driven by means of a gate-source voltage U GS = 15 V. The part of the characteristic curve in quadrant III, which is denoted by T RCC , is used when the MOSFET is driven and a load current I LAST flows through the MOSFET against the main direction. If the MOSFET is not activated (U GS = 0 V), the characteristic curve in quadrant III is used, which is designated T C. That is, the integral free-wheeling diode RD of the MOSFET carries the load current I LAST .

Gemäß dieser Charakteristik ist erkennbar, daß die Durchlaßverluste eines MOSFET verringert werden können, wenn im Freilaufbetrieb der MOSFET angesteuert wird. Dadurch teilt sich der Freilaufstrom auf den Transistor und der integralen Freilaufdiode RD auf. Dieser Betrieb ist durch die Kennlinie TRCCD im Quadranten III gekennzeichnet.According to this characteristic, it can be seen that the conduction losses of a MOSFET can be reduced if the MOSFET is driven in free-running mode. This divides the freewheeling current between the transistor and the integral freewheeling diode RD. This operation is characterized by the characteristic curve T RCCD in quadrant III.

Beim Kommutierungsvorgang vom Stromrichterventil T2, das im Freilauf arbeitet und angesteuert ist, auf das stromübernehmende Stromrichterventil T1 (1) muß gemäß der Veröffent lichung "Commutation Behaviour in DC/AC-Converters with Power MOSFET", abgedruckt in "PCI", Juni 1986, Seiten 316 bis 330, zunächst das Stromrichterventil T2 abgeschaltet werden, bevor das Stromrichterventil T1 eingeschaltet werden darf. Dies ist erforderlich, um einen Kurzschluß durch gleichzeitiges Einschalten der beiden Stromrichterventile T1 und T2 zu verhindern. Dies bedeutet, daß zum Zeitpunkt der Kommutierung die integrale Freilaufdiode RD des im Freilauf arbeitende Stromrichterventils T2 den Laststrom ILAST führt und damit aufgrund der gespeicherten Ladung die Freilaufdiode RD Abschaltverluste verursacht.During the commutation process from the converter valve T2, which works in free-running mode and is controlled, to the current-accepting converter valve T1 ( 1 ) According to the publication "Commutation Behavior in DC / AC Converters with Power MOSFET", printed in "PCI", June 1986, pages 316 to 330, the converter valve T2 must first be switched off before the converter valve T1 may be switched on. This is necessary to prevent a short circuit by simultaneously switching on the two converter valves T1 and T2. This means that at the time of commutation, the integral free-wheeling diode RD of the converter valve T2 working in the free-running mode carries the load current I LAST and thus the free-wheeling diode RD causes switch-off losses due to the stored charge.

In der eingangs genannten Veröffentlichung ist ein Verfahren angegeben, wodurch der Laststrom ILAST beim Kommutierungsvorgang vom im Freilauf arbeitenden, angesteuerten Stromrichterventil T2 auf das stromübernehmende Stromrichterventil T1 nicht von der integralen Freilaufdiode RD2 des Stromrichterventils T2 geführt wird. Dieses bekannte Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das stromübernehmende Stromrichterventil T1 so langsam angesteuert wird, daß nur ein minimaler Stromüberschwinger auftritt. Durch das langsame Ansteuern des stromübernehmenden Stromrichterventils T1 steigen dessen Einschaltverluste an. Die Höhe dieser Einschaltverluste sind von der Verzögerung des Einschaltens abhängig. Der Stromüberschwinger ist vergleichbar mit einem Diodenrückstrom, der das Stromrichterventil T1 zusätzlich belastet. Für diese zeitlich ausgedehnte Ansteuerung wird für jedes Stromrichterventil T1 und T2 einer Wechselrichterphase 2 eine Überstromerfassung benötigt. Dieser Strom im Brückenzweig wird mittels einer Spannungsmessung an einer Streuinduktivität erfaßt. Dazu muß einerseits der Wert der Streuinduktivität genau bekannt sein und andererseits muß ein schneller Integrator vorgesehen sein, an dessen Ausgang dann der Wert des Stromes im Brückenzweig ansteht. Diesem Integrator ist ein Spitzenwertdetektor nachgeschaltet, der ausgangsseitig mit einer Überstrom-Steuereinrichtung verbunden ist. Durch dieses Verfahren vermindert sich die Amplitude des Sperrverzögerungsstromes und die Schaltverluste des im Freilauf arbeitenden, angesteuerten Stromrichterventils beim Kommutierungsvorgang.In the publication mentioned at the outset, a method is specified whereby the load current I LAST during the commutation process from the freewheeling, controlled converter valve T2 to the current-absorbing converter valve T1 is not conducted by the integral free-wheeling diode RD2 of the converter valve T2. This known method is characterized in that the current-accepting converter valve T1 is activated so slowly that only a minimal current overshoot occurs. The slow activation of the current-absorbing converter valve T1 increases its switch-on losses. The level of these switch-on losses depends on the delay in switching on. The current overshoot is comparable to a diode reverse current, which additionally loads the converter valve T1. For this control, which is extended over time, there is an inverter phase for each converter valve T1 and T2 2 overcurrent detection required. This current in the bridge branch is detected by means of a voltage measurement on a leakage inductance. For this, on the one hand, the value of the leakage inductance must be known exactly, and on the other hand, a fast integrator must be provided, at the output of which the value of the current in the bridge arm is then applied. That integra A peak value detector is connected downstream and is connected on the output side to an overcurrent control device. This method reduces the amplitude of the blocking delay current and the switching losses of the controlled converter valve operating in the freewheel during the commutation process.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren derart abzuändern, daß die genannten Nachteile nicht mehr auftreten.The object of the invention is now based on changing the known method so that the disadvantages mentioned do not occur more.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zu Beginn des Kommutierungsvorganges das stromübernehmende Stromrichterventil eingeschaltet und daß das im Freilauf arbeitende, angesteuerte Stromrichterventil schnell abgeschaltet wird, sobald der Wert seiner Drainspannung gleich Null ist.This object is achieved according to the invention solved, that too At the beginning of the commutation process, the current-accepting converter valve is switched on and that that Freely operating, controlled converter valve quickly is switched off as soon as the value of its drain voltage is zero is.

Als Meßwert für dieses Verfahren wird die Drainspannung des im Freilauf arbeitenden Stromrichterventils benötigt. Dieser Meßwert wird bei der bekannten Entsättigungsüberwachung, mit der ein Kurzschluß- bzw. ein Überstrom erfaßt wird, verwendet. Das heißt, man benötigt keine weitere Meßwert-Erfassungseinrichtung, um das erfindungsgemäße Verfahren durchführen zu können.The drain voltage is used as the measured value for this method of the free-running converter valve is required. This measurement is used in the known desaturation monitoring, with a short circuit or an overcurrent detected is used. This means, you need no further measured value acquisition device, to the method according to the invention carry out to be able to.

Durch die Ansteuerung des stromübernehmenden Stromrichterventils kommutiert der Laststrom vom im Freilauf arbeitenden Stromrichterventil auf das stromübernehmende Stromrichterventil. In Abhängigkeit dieser Stromkommutierung verändert sich der Wert der Drainspannung des im Freilauf arbeitenden Stromrichterventils. Zum Beginn der Kommutierung weist die Drainspannung einen negativen Wert in der Größenordnung der Sättigungsspannung des Stromrichterventils auf. Am Ende der Laststromkommutierung fällt an diesem Stromrichterventil die gesamte Zwischenkreisspannung als Sperrspannung ab, da das stromübernehmende Stromrichterventil den Laststrom führt. Aus diesen beiden Eckwerten der Drainspannung ist zu erkennen, daß der Verlauf der Drainspannung während des Kommutierungsvorgangs einen Nulldurchgang aufweist. Exakt zu diesem Zeitpunkt ist der Laststrom vollständig auf das stromübernehmende Stromrichterventil kommutiert.By controlling the current-absorbing The converter valve commutates the load current from the freewheeler Converter valve on the current-absorbing Converter valve. Dependent on this current commutation changes the value of the drain voltage of the free-running converter valve. At the start of commutation, the drain voltage has a negative value in the order of magnitude the saturation voltage of the Converter valve on. At the end of the load current commutation falls on this Converter valve the entire DC link voltage as reverse voltage as the current-absorbing Converter valve carries the load current. From these two basic parameters of the drain voltage can be seen that the course of the drain voltage while of the commutation process has a zero crossing. Exactly too at this point the load current is completely on the current-carrying Converter valve commutates.

Damit die Abschaltverluste möglichst minimal werden, muß zu diesem Zeitpunkt das im Freilauf arbeitende Stromrichterventil so schnell wie möglich abgeschaltet werden. In Abhängigkeit der Schnelligkeit dieser Abschaltung fließt ein Querstrom durch das im Freilauf arbeitende Stromrichterventil und durch das stromübernehmende Stromrichterventil zusätzlich zum Laststrom. Das heißt, die auftretenden Verluste können nicht eliminiert werden, sondern nur in Abhängigkeit der Schnelligkeit der Abschaltung des im Freilauf arbeitenden Stromrichterventils verringert werden. Diese Verringerung der Verluste ist gegenüber der Verringerung mittels des bekannten Verfahrens wesentlich größer, da beim bekannten Verfahren einerseits Verarbeitungsschritte für das Meßsignal vorhanden sind und andererseits die Überstrom-Steuereinrichtung erst dann arbeiten kann, wenn bereits ein Überstrom aufgetreten ist.So that the shutdown losses as possible must be minimal at this point the free-running converter valve switched off as soon as possible become. Dependent on the speed of this shutdown a cross current flows through the free-running converter valve and through the current transfer valve Converter valve additionally to the load current. This means, the losses that can occur not be eliminated, but only depending on the speed the shutdown of the freewheeling converter valve is reduced become. This reduction in losses is compared to that Reduction by the known method much larger, in the known method, on the one hand, processing steps for the measurement signal are present and on the other hand the overcurrent control device can only work if an overcurrent has already occurred.

Bei einem vorteilhaften Verfahren wird zu Beginn des Kommutierungsvorgangs die Gatespannung des im Freilauf arbeitenden, angesteuerten Stromrichterventils soweit abgesenkt, bis seine Drainspannung gleich einer vorbestimmten Referenzspannung ist. Durch diesen zusätzlichen Verfahrensschritt verbessert sich die Erkennung des Spannungsnulldurchgangs der Drainspannung wesentlich, da unabhängig vom Wert der Sättigungsspannung des im Freilauf arbeitenden, angesteuerten Stromrichterventils der Ausgangswert der Drainspannung zu Beginn des Kommutierungsvorgangs immer den Wert der Referenzspannung aufweist. Dies macht sich besonders bei kleinen Lastströmen bemerkbar.In an advantageous method at the beginning of the commutation process, the gate voltage of the im Free-running, controlled converter valve lowered so far, until its drain voltage equals a predetermined reference voltage is. Through this additional Method step improves the detection of the voltage zero crossing of the drain voltage is essential since it is independent of the value of the saturation voltage of the freewheeling, controlled converter valve of the Initial value of the drain voltage at the start of the commutation process always has the value of the reference voltage. This makes it special with small load currents noticeable.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung bezug genommen, in der das Verfahren nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.To explain the invention in more detail the drawing referenced in which the method according to the invention is illustrated schematically.

1 zeigt eine bekannte Wechselrichterphase, die 1 shows a known inverter phase, the

2 zeigt eine bekannte Strom-Spannungs-Charakteristik des Stromrichterventils T2 der 1, in 2 shows a known current-voltage characteristic of the converter valve T2 of the 1 , in

3 ist in einem Diagramm über die Zeit t der Verlauf der Gate-Source-Spannung des Stromrichterventils T2 der 1 beim Kommutierungsvorgang gemäß der Erfindung und in 3 is the graph of the gate-source voltage of the converter valve T2 in a diagram over the time t 1 in the commutation process according to the invention and in

4 ist in einem Diagramm über der Zeit t der Verlauf der zugehörigen Drainspannung dargestellt, in den 4 is shown in a diagram over time t the course of the associated drain voltage in the

5,6 sind die Verläufe der Drain-Source-Spannung und der Drainspannung jeweils in einem Diagramm über der Zeit t gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt und die 5 . 6 the courses of the drain-source voltage and the drain voltage are each shown in a diagram over time t according to an advantageous embodiment of the method according to the invention, and

7 zeigt die Schaltung eines bekannten Hybrid-Leistungs-MOSFET. 7 shows the circuit of a known hybrid power MOSFET.

Anhand der Diagramme der 3 und 4 in Verbindung mit der Schaltungsanordnung nach 1 wird nun das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert:Using the diagrams of the 3 and 4 in connection with the circuit arrangement 1 the method according to the invention is now explained in more detail:

Zum Zeitpunkt t0 ist das Stromrichterventil T1 gesperrt und das Stromrichterventil T2 angesteuert. Unter der Voraussetzung, daß der Laststrom ILAST > 0 ist, arbeitet das Stromrichterventil T2 im Freilauf und führt den Laststrom ILAST entgegen seiner Hauptrichtung. Die integrale Freilaufdiode RD2 ist gemäß dem Diagramm nach 2 in Abhängigkeit des fließenden Drainstromes ID an der Stromführung beteiligt. Das Stromrichterventil T1 ist das Stromrichterventil, das bei dem Kommutierungsvorgang den Laststrom ILAST übernehmen soll. Deshalb wird dieses Stromrichterventil T1 als das stromübernehmende Stromrichterventil bezeichnet. Als Stromrichterventile T1 und T2 sind Si-MOSFET vorgesehen, die – wie eingangs bereits erwähnt – zu den unipolaren Leistungshalbleitern gezählt werden, die Strom in beiden Richtungen (Drain-Source, Source-Drain) führen können. Zum Zeitpunkt t1 wird das stromübernehmende Stromrichterventil T1 angesteuert, wodurch dieses einschaltet. Mit dieser Ansteuerung des stromübernehmenden Stromrichterventils T1 wird der Verlauf der Drain-Source-Spannung UDS 2 hinsichtlich eines Spannungsnulldurchganges überwacht. Zum Zeitpunkt t2 tritt dieser Spannungsnulldurchgang bei der Drainspannung UDS2 des im Freilauf arbeitenden Stromrichterventils T2 auf. Zu diesem Zeitpunkt t2 wird das im Freilauf arbeitende Stromrichterventil T2 abgeschaltet. Diese Abschaltung sollte so schnell wie möglich ausgeführt werden. Ist das im Freilauf arbeitende Stromrichterventil T2 abgeschaltet, fällt an diesem Stromrichterventil die gesamte Zwischenkreisspannung UZK ab und das stromübernehmende Stromrichterventil T1 führt den gesamten Laststrom ILAST.At time t 0 , the converter valve T1 is blocked and the converter valve T2 is activated. Provided that the load current I LAST > 0, the converter valve T2 works in freewheeling and guides the load current I LAST against its main direction. The integral free-wheeling diode RD2 is according to the diagram 2 depending on the flowing drain current I D involved in the current flow. The converter valve T1 is the converter valve, that should take over the load current I LAST during the commutation process. Therefore, this converter valve T1 is referred to as the current-accepting converter valve. Si-MOSFETs are provided as converter valves T1 and T2, which - as already mentioned at the beginning - are counted among the unipolar power semiconductors which can carry current in both directions (drain-source, source-drain). At time t 1 , the current-accepting converter valve T1 is activated, whereby it switches on. With this control of the current-taking converter valve T1, the course of the drain-source voltage U DS 2 is monitored with regard to a voltage zero crossing. At time t 2 , this voltage zero crossing occurs at the drain voltage U DS2 of the free-running converter valve T2. At this point in time t 2 , the converter valve T2 operating in the freewheel mode is switched off. This shutdown should be done as soon as possible. If the freewheeling converter valve T2 is switched off, the entire intermediate circuit voltage U ZK drops at this converter valve and the current-absorbing converter valve T1 carries the entire load current I LAST .

Wie man dem Diagramm gemäß 4 entnehmen kann, fällt am im Freilauf arbeitenden, angesteuerten Stromrichterventil T2 betragsmäßig eine Sättigungsspannung UDSsat ab. Der Wert dieser Sättigungsspannung UDSsat ist bei selbstsperrenden MOSFET vom Drainstrom ID abhängig. Je kleiner der Drainstrom ID ist, um so kleiner ist der Wert der Sättigungsspannung UDSsat. Je kleiner jedoch der Wert dieser Sättigungsspannung UDSsat ist, um so schwieriger ist die Erkennung des Spannungsnulldurchgangs. Wird der Spannungsnulldurchgang erst nach dem Zeitpunkt t2 erkannt, so liegt ein Brückenkurzschluß vor und beide Stromrichterventile T1 und T2 können eventuell wegen Überstrom abgeschaltet werden. Wird der Spannungsnulldurchgang vor dem Zeitpunkt t2 erkannt, so kommutiert der durch das Stromrichterventil T2 fließende Laststrom ILAST vollständig auf die integrale Freilaufdiode RD2, wodurch wieder Abschaltverluste aufgrund der gespeicherten Ladung dieser Freilaufdiode RD2 verursacht werden.How to follow the diagram 4 can see, a saturation voltage U DSsat drops in the amount of a saturation voltage U DSsat working in the freewheeling, controlled converter valve T2. The value of this saturation voltage U DSsat depends on the drain current I D in the case of self-blocking MOSFETs. The smaller the drain current I D , the smaller the value of the saturation voltage U DSsat . However, the smaller the value of this saturation voltage U DSsat , the more difficult it is to detect the voltage zero crossing . If the voltage zero crossing is only recognized after the time t 2 , there is a bridge short circuit and both converter valves T1 and T2 can possibly be switched off due to overcurrent. If the voltage zero crossing is recognized before the time t 2 , the load current I LAST flowing through the converter valve T2 commutates completely to the integral free-wheeling diode RD2, which again causes switch-off losses due to the stored charge of this free-wheeling diode RD2.

Aus diesen genannten Gründen, ist das erfindungsgemäße Verfahren derart verbessert worden, daß unabhängig vom Drainstrom ID zum Zeitpunkt der Ansteuerung des stromübernehmenden Stromrichterventils T1 die Drain-Source-Spannung UDS des im Freilauf arbeitenden Stromrichterventils T2 einen vorbestimmten Wert einnimmt . Dieser als Referenzwert UDSref bezeichnete Wert ist betragsmäßig größer als eine Sättigungsspannung UDSsat, Jedoch kleiner als die Durchlaßspannung UD RD der integralen Freilaufdiode RD2.For these reasons mentioned, the method according to the invention has been improved such that the drain-source voltage U DS of the freewheeling converter valve T2 assumes a predetermined value regardless of the drain current I D at the time when the current-accepting converter valve T1 is activated. This value, referred to as reference value U DSref , is greater in magnitude than a saturation voltage U DSsat , but smaller than the forward voltage U D RD of the integral free-wheeling diode RD2.

Damit zum Zeitpunkt der Ansteuerung des stromübernehmenden Stromrichterventils T1 die Drain-Source-Spannung UDS gleich der Referenzspannung UDSref ist, wird zu Beginn des Kommutierungsvorgangs, d.h. zum Zeitpunkt t0 gemäß 5, die Gate-Source-Spannung UGS2 des im Freilauf arbeitenden Stromrichterventils T2 soweit abgesenkt, bis seine Drain-Source-Spannung UDS2 gleich der Referenzspannung UDSref ist. Zum Zeitpunkt t1 der 6 ist die Drain-Source-Spannung UDS2 des im Freilauf arbeitenden Stromrichterventils T2 betragsmäßig bis auf den Wert der Referenzspannung UDSref angestiegen. Nachdem der Wert der Drain-Source-Spannung UDS2 des im Freilauf arbeitenden Stromrichterventils T2 gleich dem vorbestimmten Wert der Referenzspannung UDSref ist, wird das stromübernehmende Stromrichterventil T1 eingeschaltet. Mit dem Einschalten des stromübernehmenden Stromrichterventils T1 wird der Verlauf der Drainspannung UDS2 hinsichtlich eines Spannungsnulldurchgangs überwacht. Sobald die Drainspannung UDS2 den Wert Null erreicht hat (Zeitpunkt t2 der 6), wird das im Freilauf arbeitende Stromrichterventil T2 so schnell wie möglich abgeschaltet. Durch die erfindungsgemäße Absenkung der Gate-Source-Spannung UGS2 des im Freilauf arbeitenden Stromrichterventils T2 wird seine Drain-Source-Spannung UDS2 auf einen vorbestimmten Wert UDSref gebracht. Somit wird dieses erfindungsgemäße Verfahren unabhängig vom fließenden Drainstrom ID.Thus, at the time of driving of the current-accepting power converter valve T1, the drain-source voltage U DS of the reference voltage U DSref is equal to, at the start of the commutation, that is, at time t 0 according to 5 , The gate-source voltage U GS2 of the free- running converter valve T2 is lowered until its drain-source voltage U DS2 is equal to the reference voltage U DSref . At time t 1 6 the drain-source voltage U DS2 of the converter valve T2 operating in the freewheel mode has increased in amount up to the value of the reference voltage U DSref . After the value of the drain-source voltage U DS2 of the freewheeling converter valve T2 is equal to the predetermined value of the reference voltage U DSref , the current-absorbing converter valve T1 is switched on. When the current-absorbing converter valve T1 is switched on, the course of the drain voltage U DS2 is monitored with regard to a voltage zero crossing. As soon as the drain voltage U DS2 has reached zero (time t 2 6 ), the freewheeling converter valve T2 is switched off as quickly as possible. By lowering the gate-source voltage U GS2 of the converter valve T2 operating in the freewheel mode according to the invention , its drain-source voltage U DS2 is brought to a predetermined value U DSref . This method according to the invention thus becomes independent of the flowing drain current I D.

Werden als Stromrichterventile T1 und T2 MOSFET aus Silizium verwendet, beträgt die Schwellspannung UDRD der integralen Freilaufdiode RD1 und RD2 ungefähr 0,7 V. Werden jedoch MOSFET aus Siliziumcarbid verwendet, so beträgt die Schwellspannung UDRD der integralen Freilaufdiode RD1 und RD2 ungefähr 2,8 V. Diese höhere Schwellspannung UDRD ergibt sich daraus, da Siliziumcarbid einen sehr viel größeren Bandabstand als Silizium aufweist.If MOSFETs made of silicon are used as converter valves T1 and T2, the threshold voltage U DRD of the integral free-wheeling diode RD1 and RD2 is approximately 0.7 V. If MOSFETs made of silicon carbide are used, however, the threshold voltage U DRD of the integral free-wheeling diode RD1 and RD2 is approximately 2. 8 V. This higher threshold voltage U DRD results from the fact that silicon carbide has a much larger band gap than silicon.

Wird das vorteilhafte erfindungsgemäße Verfahren zur Verringerung von Verlusten beim Kommutierungsvorgang bei einer Wechselrichterphase 2 angewendet, für deren Stromrichterventile T1 und T2 jeweils MOSFET aus Siliziumcarbid vorgesehen sind, vereinfacht sich dieses Verfahren, da nun die Referenzspannung UDSref aus einem größeren Spannungsbereich gewählt werden kann. Es muß dafür gesorgt werden, daß der Wert der Referenzspannung UDSref nie gleich der Schwellspannung UDRD der integralen Freilaufdiode RD1 bzw. RD2 des Stromrichterventils T1 bzw. T2 sein darf. Überschreitet die Drain-Source-Spannung UDS betragsmäßig die Schwellspannung UDRD der zugehörigen integralen Freilaufdiode RD, wird diese leitend, wodurch diese Freilaufdiode RD wieder am Kommutierungsvorgang mit den eingangs genannten Nachteilen beteiligt ist.Will the advantageous inventive method for reducing losses in the commutation process in an inverter phase 2 applied, for the converter valves T1 and T2 of which MOSFETs made of silicon carbide are provided, this method is simplified since the reference voltage U DSref can now be selected from a larger voltage range. It must be ensured that the value of the reference voltage U DSref may never be equal to the threshold voltage U DRD of the integral free-wheeling diode RD1 or RD2 of the converter valve T1 or T2. If the drain-source voltage U DS exceeds the threshold voltage U DRD of the associated integral free-wheeling diode RD, this becomes conductive, as a result of which this free-wheeling diode RD is again involved in the commutation process with the disadvantages mentioned at the beginning.

In der 7 ist die Schaltung eines bekannten Hybrid-Leistungs-MOSFET näher dargestellt. Dieses Hybrid-Leistungs-MOSFET ist in der DE 196 10 135 C1 ausführlich beschrieben. Dieses Hybrid-Leistungs-MOSFET verträgt hohe Sperrspannungen, wobei die Durchlaßverluste jedoch gering sind. Dieses Hybrid-Leistungs-MOSFET weist einen selbstsperrenden n-Kanal-MOSFET 8 und einen selbstleitenden n-Kanal-Sperrschicht-FET auf. Dieser Sperrschicht-FET 10 wird auch als Junction-Field-Effect-Transistor (JFET) bezeichnet. Der selbstsperrende n-Kanal-MOSFET 8 ist aus Silizium, wogegen der selbstleitende n-Kanal-JFET 10 aus Siliziumcarbid besteht. Als Si-MOSFET 8 kann ein handelsüblicher Niedervolt-Leistungs-MOSFET vorgesehen sein. Das Si-MOSFET weist eine integrale Freilaufdiode RD auf. Das Si-MOSFET 8 und das SiC-JFET 10 sind elektrisch in Reihe geschalten, wobei das Gate des SiC-JFET 10 direkt mit dem Source-Anschluß S des Si-MOSFET 8 verknüpft ist.In the 7 the circuit of a known hybrid power MOSFET is shown in more detail. This hybrid power MOSFET is in the DE 196 10 135 C1 described in detail. This hybrid power MOSFET can withstand high reverse voltages, but the forward losses are low. This hybrid power MOSFET has one self-locking n-channel MOSFET 8th and a normally-on n-channel junction FET. This junction FET 10 is also known as junction field effect transistor (JFET). The self-locking n-channel MOSFET 8th is made of silicon, whereas the self-conducting n-channel JFET 10 consists of silicon carbide. As a Si-MOSFET 8th a commercially available low-voltage power MOSFET can be provided. The Si-MOSFET has an integral free-wheeling diode RD. The Si-MOSFET 8th and the SiC JFET 10 are electrically connected in series, with the gate of the SiC JFET 10 directly with the source connection S of the Si-MOSFET 8th is linked.

Das Si-MOSFET verträgt eine Sperrspannung von beispielsweise 30 V. Das dazu in Reihe geschaltete SiC-JFET 10 ist für eine sehr viel höhere Sperrspannung ausgebildet. Die geringe Sperrspannung des Si-MOSFET 8 weist auch die integrale Freilaufdiode RD auf. Eine Diode für eine geringe Sperrspannung weist eine sehr dünne Siliziumscheibe auf, woraus eine sehr geringe Speicherladung resultiert. Wegen der kaum vorhandenen Speicherladung sind die Abschaltverluste dieser integralen Freilaufdiode RD des Si-MOSFET 8 des Hybrid-Leistungs-MOSFET minimal. Aus diesem Grunde ist bei der Verwendung dieses bekannten Hybrid-Leistungs-MOSFET als Stromrichterventil T1 bzw. T2 der Wechselrichterphase 2 die Vorsteuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht mehr erforderlich. Da die Drainspannung UD des Si-MOSFET 8 als Steuerspannung für den SiC-JFET 10 dient, wird dieser automatisch abgeschaltet, sobald am Si-MOSFET 8 des Hybrid-Leistungs-MOSFET eine Sperrspannung von beispielsweise 30 V ansteht.The Si-MOSFET tolerates a reverse voltage of, for example, 30 V. The SiC-JFET connected in series with it 10 is designed for a much higher reverse voltage. The low reverse voltage of the Si-MOSFET 8th also has the integral free-wheeling diode RD. A diode for a low reverse voltage has a very thin silicon wafer, which results in a very low storage charge. The shutdown losses of this integral free-wheeling diode RD of the Si-MOSFET are due to the barely present storage charge 8th of the hybrid power MOSFET minimal. For this reason, when using this known hybrid power MOSFET as converter valve T1 or T2, the inverter phase 2 the pilot control of the method according to the invention is no longer necessary. Since the drain voltage U D of the Si-MOSFET 8th as control voltage for the SiC-JFET 10 is used, it is automatically switched off as soon as the Si-MOSFET 8th of the hybrid power MOSFET there is a reverse voltage of, for example, 30 V.

Wenn als Stromrichterventil T1 bzw. T2 der Wechselrichterphase 2 jeweils ein Hybrid-Leistungs-MOSFET gemäß dem deutschen Patent 196 10 135 verwendet werden, kann man das in der eingangs Veröffentlichung "PCI" beschriebene Verfahren anwenden, wobei trotzdem keine hohen Verluste beim Kommutierungsvorgang auftreten. Dies ist möglich, da die Speicherladung der integralen Freilaufdiode RD des MOSFET 8 des Hybrid-Leistungs-MOSFET minimal ist. Eine Beteiligung dieser Freilaufdiode RD des MOSFET 8 am Kommutierungsvorgang ist unkritisch.If as converter valve T1 or T2 of the inverter phase 2 In each case a hybrid power MOSFET according to the German patent 196 10 135 can be used, one can use the method described in the publication "PCI" at the beginning, although no high losses occur during the commutation process. This is possible because the memory charge of the integral free-wheeling diode RD of the MOSFET 8th of the hybrid power MOSFET is minimal. A participation of this free-wheeling diode RD of the MOSFET 8th the commutation process is not critical.

Claims (2)

Verfahren zur Verringerung von Verlusten bei der Kommutierung eines im Freilauf arbeitenden, angesteuerten Stromrichterventils (T2) einer Wechselrichterphase (2) auf ein stromübernehmendes Stromrichterventil (T1) dieser Wechselrichterphase (2), wobei zu Beginn des Kommutierungsvorgangs das stromübernehmende Stromrichterventil (T1) eingeschaltet wird und wobei das im Freilauf arbeitende, angesteuerte Stromrichterventil (T2) schnell abgeschaltet wird, sobald der Wert seiner Drainspannung (UD) Null ist.Method for reducing losses in the commutation of a driven converter valve (T2) operating in the free-running mode in an inverter phase ( 2 ) to a current-absorbing converter valve (T1) of this inverter phase ( 2 ), with the current-taking converter valve (T1) being switched on at the beginning of the commutation process, and with the controlled converter valve (T2) operating in free-running mode being switched off quickly as soon as the value of its drain voltage (U D ) is zero. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zu Beginn des Kommutierungsvorgangs die Gatespannung (UG) des im Freilauf arbeitenden, angesteuerten Stromrichterventils (T2) soweit abgesenkt wird, bis seine Drainspannung (UD) gleich einer vorbestimmten Referenzspannung (UDSref) ist.The method of claim 1, wherein at the beginning of the commutation process, the gate voltage (U G ) of the freewheeling, controlled converter valve (T2) is lowered until its drain voltage (U D ) is equal to a predetermined reference voltage (UD Sref ).
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